Desain darifotoniksirkuit terpadu
Sirkuit terpadu fotonik(PIC) sering dirancang dengan bantuan skrip matematika karena pentingnya panjang lintasan dalam interferometer atau aplikasi lain yang sensitif terhadap panjang lintasan.GAMBARPhotomask diproduksi dengan membuat pola beberapa lapisan (biasanya 10 hingga 30) pada wafer, yang terdiri dari banyak bentuk poligonal, seringkali direpresentasikan dalam format GDSII. Sebelum mengirim file ke produsen photomask, sangat disarankan untuk dapat mensimulasikan PIC untuk memverifikasi kebenaran desain. Simulasi dibagi menjadi beberapa tingkatan: tingkatan terendah adalah simulasi elektromagnetik (EM) tiga dimensi, di mana simulasi dilakukan pada tingkat sub-panjang gelombang, meskipun interaksi antar atom dalam material ditangani pada skala makroskopis. Metode tipikal meliputi tiga dimensi finite-difference time-domain (3D FDTD) dan eigenmode expansion (EME). Metode ini paling akurat, tetapi tidak praktis untuk seluruh waktu simulasi PIC. Tingkatan selanjutnya adalah simulasi EM 2,5 dimensi, seperti finite-difference beam propagation (FD-BPM). Metode ini jauh lebih cepat, tetapi mengorbankan sebagian akurasi dan hanya dapat menangani propagasi paraksial dan tidak dapat digunakan untuk mensimulasikan resonator, misalnya. Tingkat selanjutnya adalah simulasi EM 2D, seperti FDTD 2D dan BPM 2D. Simulasi ini juga lebih cepat, tetapi memiliki fungsionalitas terbatas, misalnya tidak dapat mensimulasikan rotator polarisasi. Tingkat selanjutnya adalah simulasi matriks transmisi dan/atau hamburan. Setiap komponen utama direduksi menjadi komponen dengan input dan output, dan pandu gelombang yang terhubung direduksi menjadi elemen pergeseran fasa dan atenuasi. Simulasi ini sangat cepat. Sinyal output diperoleh dengan mengalikan matriks transmisi dengan sinyal input. Matriks hamburan (yang elemen-elemennya disebut parameter S) mengalikan sinyal input dan output di satu sisi untuk menemukan sinyal input dan output di sisi lain komponen. Pada dasarnya, matriks hamburan berisi refleksi di dalam elemen. Matriks hamburan biasanya dua kali lebih besar dari matriks transmisi di setiap dimensinya. Singkatnya, dari EM 3D hingga simulasi matriks transmisi/hamburan, setiap lapisan simulasi menghadirkan kompromi antara kecepatan dan akurasi, dan perancang memilih tingkat simulasi yang tepat untuk kebutuhan spesifik mereka guna mengoptimalkan proses validasi desain.
Namun, mengandalkan simulasi elektromagnetik elemen-elemen tertentu dan menggunakan matriks hamburan/transfer untuk mensimulasikan seluruh PIC tidak menjamin desain yang sepenuhnya benar di depan pelat aliran. Misalnya, kesalahan perhitungan panjang lintasan, pandu gelombang multimode yang gagal menekan mode orde tinggi secara efektif, atau dua pandu gelombang yang terlalu dekat satu sama lain sehingga menyebabkan masalah kopling yang tidak terduga kemungkinan besar tidak terdeteksi selama simulasi. Oleh karena itu, meskipun alat simulasi canggih menyediakan kemampuan validasi desain yang ampuh, hal itu tetap membutuhkan kewaspadaan tinggi dan inspeksi yang cermat oleh perancang, dikombinasikan dengan pengalaman praktis dan pengetahuan teknis, untuk memastikan keakuratan dan keandalan desain serta mengurangi risiko pada diagram alir.
Teknik yang disebut sparse FDTD memungkinkan simulasi FDTD 3D dan 2D dilakukan langsung pada desain PIC lengkap untuk memvalidasi desain tersebut. Meskipun sulit bagi alat simulasi elektromagnetik mana pun untuk mensimulasikan PIC skala sangat besar, sparse FDTD mampu mensimulasikan area lokal yang cukup besar. Dalam FDTD 3D tradisional, simulasi dimulai dengan menginisialisasi enam komponen medan elektromagnetik dalam volume terkuantisasi tertentu. Seiring berjalannya waktu, komponen medan baru dalam volume dihitung, dan seterusnya. Setiap langkah membutuhkan banyak perhitungan, sehingga membutuhkan waktu lama. Dalam sparse 3D FDTD, alih-alih menghitung pada setiap langkah di setiap titik volume, daftar komponen medan dipertahankan yang secara teoritis dapat sesuai dengan volume yang sangat besar dan dihitung hanya untuk komponen tersebut. Pada setiap langkah waktu, titik-titik yang berdekatan dengan komponen medan ditambahkan, sementara komponen medan di bawah ambang daya tertentu dihilangkan. Untuk beberapa struktur, perhitungan ini dapat beberapa orde besaran lebih cepat daripada FDTD 3D tradisional. Namun, FDTDS yang jarang tidak berkinerja baik ketika berurusan dengan struktur dispersif karena penyebaran medan kali ini terlalu luas, sehingga menghasilkan daftar yang terlalu panjang dan sulit dikelola. Gambar 1 menunjukkan contoh tangkapan layar simulasi FDTD 3D yang mirip dengan pemisah berkas polarisasi (PBS).
Gambar 1: Hasil simulasi dari FDTD sparse 3D. (A) adalah tampilan atas dari struktur yang disimulasikan, yaitu coupler arah. (B) Menunjukkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi quasi-TE. Dua diagram di atas menunjukkan tampilan atas sinyal quasi-TE dan quasi-TM, dan dua diagram di bawah menunjukkan tampilan penampang yang sesuai. (C) Menunjukkan tangkapan layar simulasi menggunakan eksitasi quasi-TM.
Waktu posting: 23 Juli 2024